Como as colisões de buracos de verme podem gerar ondas gravitacionais

Tal como a superfície de um oceano, o tecido do Universo está permanentemente ondulado por uma infinidade de ondas gravitacionais que se propagam pelo cosmos.

Até agora, detetámos um número de ondulações na ordem das centenas, e a maioria foi associada a colisões entre buracos negros, os objetos mais densos do Universo.

Mas como sabemos se todas as colisões atribuídas a buracos negros são realmente aquilo que aparentam ser? E que sinais de ondas gravitacionais estarão ainda por detetar?

Poderá haver algo mais no cosmos capaz de fazer o Universo cantar? E se a colisão de buracos de verme provocar uma perturbação semelhante, como poderemos reconhecê-la?

Pelo menos para um tipo particular de buraco de verme, novas simulações sugerem que as colisões seriam profundamente estranhas e poderiam deixar marcas distintivas no tecido do espaço-tempo.

Segundo um estudo preliminar do físico Nikita M. Shirokov, do Instituto de Física e Tecnologia de Moscovo, e do engenheiro de aprendizagem automática Ilya Nachevsky, da Escola Superior de Economia, na Rússia, a interação entre pares de buracos de verme de Ellis-Bronnikov pode ter vários desfechos, quase todos extremamente invulgares.

Buracos de verme de Ellis-Bronnikov e a sua instabilidade

Quando pensamos em buracos de verme, é provável que a primeira ideia seja a ficção científica: portais de passagem, hiperespaço e túneis pelos recantos do cosmos que oferecem atalhos entre regiões distantes.

Mas, tal como muitas ideias apresentadas em O Caminho das Estrelas e A Expansão, os buracos de verme têm raízes sólidas na teoria científica. São uma possibilidade matemática decorrente da teoria da relatividade geral de Einstein, que descreve a gravidade como a curvatura do espaço-tempo.

Em teoria, o espaço-tempo poderia curvar-se de modo a ligar duas regiões que, de outra forma, estariam distantes, através de um túnel ou garganta. É isso que se entende por buraco de verme.

Continua, porém, por esclarecer se uma estrutura destas pode realmente existir no Universo.

É possível que já tenha ouvido falar da ponte de Einstein-Rosen, um tipo de buraco de verme que não pode ser atravessado. O modelo de Ellis-Bronnikov é diferente: trata-se de uma passagem atravessável, mantida aberta por aquilo a que se chama um campo escalar fantasma.

Esse campo hipotético tem propriedades invulgares de energia negativa que impedem a garganta de se fechar.

Ser atravessável significa que algo poderia passar por ela, mas não implica que seja estável. Saber se um ser humano deveria atravessá-la é outra questão.

Isto aplica-se especialmente aos buracos de verme de Ellis-Bronnikov.

Embora o campo escalar fantasma consiga manter a garganta aberta, uma pequena perturbação pode desestabilizar o seu equilíbrio delicado. A garganta pode então colapsar e formar um buraco negro, ou começar a expandir-se de forma descontrolada num processo chamado inflação.

Seria, portanto, de esperar que o encontro de duas destas estruturas instáveis pudesse ter consequências espetacularmente destrutivas.

O que acontece quando buracos de verme colidem

Para perceber como seria esse acontecimento, Shirokov e Nachevsky realizaram simulações tridimensionais de pares de buracos de verme de Ellis-Bronnikov. Alteraram a distância inicial entre eles, as suas trajetórias e as propriedades dos campos escalares fantasma que os mantêm abertos.

Os resultados revelaram uma diversidade surpreendente.

Consoante a configuração, os buracos de verme podiam atrair-se ou repelir-se. Alguns aproximavam-se o suficiente para interagir antes de se afastarem rapidamente, enquanto as suas gargantas se expandiam de forma acentuada.

Outros lançavam-se um contra o outro, mas, em vez de se fundirem num buraco de verme maior, acontecia algo muito mais estranho.

Formava-se em redor das duas gargantas um horizonte aparente comum, semelhante ao horizonte de eventos de um buraco negro, que as encerrava no interior de um buraco negro em formação.

A situação tornava-se ainda mais invulgar porque esse horizonte aparente fazia depois algo que os horizontes de buracos negros não deveriam fazer.

Encolhia.

À medida que o campo escalar fantasma caía na região do espaço em colapso, o horizonte perdia cerca de 28 por cento da sua área.

Em circunstâncias normais, a área da superfície do horizonte de eventos de um buraco negro só pode aumentar ou manter-se igual, de acordo com o teorema da área dos buracos negros, proposto por Stephen Hawking em 1971.

Contudo, esse teorema depende de pressupostos sobre o comportamento da energia que o campo escalar fantasma não respeita. As suas propriedades exóticas de energia negativa permitem que o horizonte simulado diminua em vez de crescer.

Isto não contradiz o teorema da área, pois a simulação envolve um horizonte aparente, e não um horizonte de eventos, bem como um campo que viola os pressupostos do teorema. Ainda assim, é um resultado surpreendente.

Os sinais de ondas gravitacionais dos buracos de verme

Mas o que tem tudo isto a ver com ondas gravitacionais?

Quando objetos de grande massa, como buracos negros, descrevem trajetórias em espiral até colidirem, a alteração do seu movimento envia ondulações pelo espaço-tempo, como o rasto de um barco no oceano. São essas ondulações que chamamos ondas gravitacionais.

Os buracos de verme, pelo menos os buracos de verme de Ellis-Bronnikov de grande massa modelados neste estudo, também deverão gerar ondas gravitacionais ao moverem-se e interagirem.

Os investigadores descobriram, porém, que os sinais resultantes seriam bastante diferentes dos produzidos por dois buracos negros a aproximarem-se em espiral.

Um par de buracos negros nessa trajetória produz um sinal característico, semelhante a um chilrear, que se torna mais intenso e aumenta de frequência à medida que os dois objetos se aproximam.

Em contraste, as simulações dos encontros entre buracos de verme produziram rajadas curtas e abruptas de ondas gravitacionais.

A forma e a intensidade exatas do sinal dependiam de os buracos de verme avançarem diretamente um contra o outro ou apenas passarem muito perto um do outro.

Curiosamente, algumas das passagens mais próximas geraram rajadas de ondas gravitacionais particularmente fortes, mesmo sem se formar um horizonte aparente comum.

Isto não significa que uma rajada de ondas gravitacionais sem o sinal de chilrear seja prova da existência de buracos de verme. Em determinadas circunstâncias, os buracos negros também podem produzir sinais desse tipo.

Um sinal particularmente invulgar, GW190521, foi detetado em 2019 e tem sido investigado como possível marca de fenómenos físicos exóticos no espaço-tempo.

Isso não quer dizer que tenha sido produzido por um buraco de verme, e as novas simulações não estabelecem qualquer ligação a esse acontecimento. Ilustra, ainda assim, por que razão vale a pena compreender os possíveis sinais de objetos hipotéticos.

Há, porém, outra dificuldade. Os investigadores assinalam que os buracos de verme formados no Universo primitivo produziriam sinais esticados pela expansão cósmica até frequências muito inferiores às que observatórios de ondas gravitacionais, como o LIGO e a futura missão LISA, conseguem detetar.

Para que estes sinais específicos fossem detetáveis, os buracos de verme teriam de se formar muito mais tarde na história do cosmos, e os cientistas não sabem atualmente como isso poderia acontecer.

Ainda assim, o Universo já nos surpreendeu antes. E, se algum dia conseguirmos registar o sinal de uma colisão de buracos de verme de Ellis-Bronnikov, teremos agora uma ideia mais clara daquilo que poderemos estar a observar.

A investigação, que ainda não foi revista por pares, está disponível no servidor de publicações preliminares arXiv.

Este artigo foi verificado e editado por Fiona MacDonald. Embora nos orgulhemos do nosso processo, somos apenas humanos. Se detetar algum erro, por favor, informe-nos.